三次握手理解

1. 背景介绍

在TCP（传输控制协议）通信中，为了建立可靠的连接，使用了三次握手的机制。这是一种在客户端和服务器之间进行连接初始化的方法，其目的是确保双方都有发送和接收数据的能力，并且协商好连接的相关参数。

2. 三次握手的过程

第一次握手：客户端发起连接请求

客户端发送一个带有SYN（同步序列号）标志的TCP报文段。这个报文段中还包含了客户端初始的序列号（Sequence Number），记为seq = x。这个序列号用于后续数据传输中的字节计数和排序等操作。例如，假设客户端想要访问服务器的一个网页，它会发送这个SYN报文段，告诉服务器：“我想要和你建立连接。”

第二次握手：服务器响应客户端请求并同步自己的序列号

服务器收到客户端的SYN报文段后，会返回一个TCP报文段。这个报文段包含两个标志位，SYN和ACK（确认）。其中，SYN标志表示服务器也同步自己的序列号，服务器的初始序列号记为seq = y。ACK标志用于确认收到客户端的SYN报文段，确认号（Acknowledgment Number）设为ack = x + 1。这意味着服务器告诉客户端：“我收到你的连接请求了，我也准备好建立连接，同时这是我这边的初始序列号。”

第三次握手：客户端确认服务器的响应

客户端收到服务器的带有SYN/ACK标志的报文段后，会发送一个ACK报文段作为回应。这个报文段的确认号ack = y+ 1，序列号仍然是之前的x + 1（因为在这个过程中客户端自己的序列号只在第一次握手时初始化，之后是通过确认号来同步双方的状态）。客户端通过这个报文段告诉服务器：“我已经收到你的响应，我们可以开始传输数据了。”

3. 三次握手的意义

可靠性保证
- 通过三次握手，双方都能确保对方已经收到自己的连接请求并且做好了传输数据的准备。如果只有两次握手，当客户端发送的第一个SYN报文段在网络中延迟，导致延迟的报文段在连接释放后才到达服务器。服务器收到这个延迟的SYN报文段后，会认为是一个新的连接请求，然后发送SYN/ACK报文段进行响应。但此时客户端并没有发起新的连接请求，不会回复ACK报文段，服务器就会一直等待，造成资源浪费。而三次握手可以避免这种情况，因为客户端会忽略这个延迟到达的SYN/ACK报文段，因为它没有发起对应的连接请求。
同步序列号
- 序列号在TCP的数据传输中非常重要。它可以保证数据的按序接收和流量控制等功能。在三次握手过程中，双方交换并同步了初始序列号，为后续可靠的数据传输打下了基础。例如，服务器可以根据客户端的序列号来判断数据是否完整地按顺序接收，客户端也可以根据服务器的序列号来进行相应的操作。

4.三次握手确保数据发送与接受的原因

三次握手可以确保双方都有发送和接收数据的能力，主要体现在以下几个方面：

双方通信意愿的确认：
- 第一次握手：客户端向服务器发送带有 SYN 标志的数据包，这明确表示客户端有建立连接并发送数据的意愿。服务器收到这个数据包，就知道客户端想要进行通信。
- 第二次握手：服务器收到客户端的 SYN 包后，返回一个带有 SYN 和 ACK 标志的数据包。这不仅表示服务器接收到了客户端的请求，而且也表明服务器有建立连接和接收数据的能力，同时向客户端确认了自己已经准备好。
- 第三次握手：客户端收到服务器的 SYN/ACK 包后，发送 ACK 包作为回应。这一步骤是客户端对服务器的确认，告诉服务器自己已经接收到了服务器的响应，并且也准备好了进行数据传输。通过这三次交互，双方都明确了对方想要建立连接并进行通信的意愿。
序列号的同步与确认：
- 在 TCP 通信中，序列号是保证数据按序传输和正确接收的关键。在三次握手过程中，双方会交换并确认初始序列号。
- 第一次握手时：客户端选择一个随机的初始序列号并告知服务器，服务器收到后就知道了客户端后续发送数据的起始序号。
- 第二次握手时：服务器也选择一个自己的初始序列号，并通过 SYN/ACK 包告知客户端，同时确认了客户端的序列号。
- 第三次握手时：客户端再次确认服务器的序列号。这样，双方都知道了对方的初始序列号，为后续的数据传输提供了序列号的基础，确保数据能够正确地被接收和处理，也就证明了双方具备接收数据的能力。
避免无效连接的建立：
- 如果只进行两次握手，当客户端发送的连接请求因网络延迟等原因延迟到达服务器时，服务器可能会误认为这是一个新的连接请求并进行响应，建立一个无效的连接。而在三次握手的过程中，客户端在第三次握手时会根据自己的记录判断该请求是否是过期的，如果是过期的请求则不会进行第三次握手的回应，从而避免了无效连接的建立。这也从侧面保证了双方在真正有通信需求时才建立连接，即具备发送和接收数据的真实能力和需求。
状态的同步与稳定连接的建立：
- 三次握手的过程是一个状态转换的过程：客户端从初始状态到发送 SYN 包后的 SYN_SENT 状态，再到收到服务器的 SYN/ACK 包后的状态，最后到发送 ACK 包后的 ESTABLISHED 状态；服务器从初始的监听状态到收到 SYN 包后的 SYN_RCVD 状态，再到收到客户端的 ACK 包后的 ESTABLISHED 状态。这种状态的转换是双方通信状态的同步过程，只有当双方都完成了三次握手，进入到 ESTABLISHED 状态，才意味着连接已经稳定建立，双方可以开始可靠的数据传输，也就确保了双方具备稳定的发送和接收数据的能力。